(57)【要約】【課題】  従来、マイクロホンなどのセンサで音源からの信号を受け、指向性の良好な出力信号を得るようにビームフォーミングする場合、局所的にサイドローブが大きくなる場合があり、ビーム方向の走査によって音源の方向探査を行う場合、存在しない方向に音源があるように見えるという課題がある。【解決手段】  本発明は、任意の空間上に複数のマイクロホン２を配設し、音源１からの音Ｘを複数のマイクロホン２で受け、出力信号Ｙがその指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるように演算処理し、その演算処理結果として線形フィルタ３のフィルタ係数を更新処理することにより、局所的にサイドローブが大きくなるようなことがなく、サイドローブの大きさを小さく抑えたビームフォーミング装置にある。【選択図】図１
2005265466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成するビームフォーミング装置において、
前記複数の入力センサからの前記入力信号に基づき前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるように演算処理する演算装置と、
前記演算装置の演算結果に基づき前記複数の入力センサ毎に設けられたフィルタのフィルタ係数を更新する手段を備え、
前記フィルタ係数が更新されることにより可及的にサイドローブがミニマックス規範で最小となることを特徴とするビームフォーミング装置。
【請求項２】
ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するビームフォーミング装置において、
目的方向のメインローブの利得が０でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が１つ以上の方向で低くなるように演算する演算装置と、
前記演算装置の演算結果に基づきフィルタのフィルタ係数を更新する処理を１回または複数回行う手段を備えたことを特徴とするビームフォーミング装置。
【請求項３】
任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成する方法であって、前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるようにフィルタ係数を更新することを特徴とするビームフォーミング方法。
【請求項４】
ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するものであって、目的方向のメインローブの利得が０でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が１つ以上の方向で低くなるフィルタに更新する処理を１回または複数回行うことを特徴とするビームフォーミング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロホンやアンテナなどのセンサを、指向性を有するものにビームフォーミングする装置に係り、特に、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、その複数の入力センサの信号を演算処理することによって指向特性を向上するビームフォーミング装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００２−４８８６７号公報に記載されたように、入力センサを格子上または円上に等間隔に配設し、その入力信号を遅延および和の演算処理によってマイクロホンやアンテナなどの指向性を向上するビームフォーミング装置は知られている。 
さらに、特開２０００−１６２３０８号公報に記載された、球面上や不等間隔に配置したものを含む任意の空間上に配設した入力センサ信号から、線形フィルタ処理と合成処理によってビームフォーミングを実現する方法も既に知られている。 
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４８８６７号公報
【特許文献２】特開２０００−１６２３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来行われている上記従来技術における遅延および和の演算処理によるビームフォーミングでは、鋭い指向性が得られないという課題があり、また、線形フィルタ処理と合成処理によって行うビームフォーミングでは、鋭い指向性が得られるものの、サイドローブの低減が可能なフィルタの設計法は、サイドローブの最小二乗規範に基づくものであり、局所的にサイドローブが大きくなる場合があり、ビーム方向の走査によって出力源の方向探査を行う場合、存在しない方向に出力源があるように見えるという課題がある。 
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１に係る発明の要旨は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成するビームフォーミング装置において、前記複数の入力センサからの前記入力信号に基づき前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるように演算処理する演算装置と、前記演算装置の演算結果に基づき前記複数の入力センサ毎に設けられたフィルタのフィルタ係数を更新する手段を備え、前記フィルタ係数が更新されることにより可及的にサイドローブがミニマックス規範で最小となることを特徴とするビームフォーミング装置に存する。 
また、本発明の請求項２に係る発明の要旨は、ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するビームフォーミング装置において、目的方向のメインローブの利得が０でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が１つ以上の方向で低くなるように演算する演算装置と、前記演算装置の演算結果に基づきフィルタのフィルタ係数を更新する処理を１回または複数回行う手段を備えたことを特徴とするビームフォーミング装置に存する。 
また、本発明の請求項３に係る発明の要旨は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成する方法であって、前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるようにフィルタ係数を更新することを特徴とするビームフォーミング方法に存する。 
また、本発明の請求項４に係る発明の要旨は、ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するものであって、目的方向のメインローブの利得が０でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が１つ以上の方向で低くなるフィルタに更新する処理を１回または複数回行うことを特徴とするビームフォーミング方法に存する。 
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、それらの複数の入力センサ信号を演算処理することによってサイドローブがミニマックス規範で最小となる指向特性をもつビームフォーミングを実現することを可能とするものであり、局所的にサイドローブの値が大きくなることがないため、ビーム方向の走査によって出力源の方向探査を行う場合、出力音源（あるいは電波源、光源など）の方向を正しく探査することが可能となるものである。 
【０００７】
本発明は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、それらの複数の入力センサ信号を演算処理することによってサイドローブがミニマックス規範で最小となる指向特性をもつビームフォーミングを実現することを可能とするものである。 
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の、ミニマックス規範に基づいてサイドローブを最小化するビームフォーミング装置、およびビームフォーミング方法について、実施の形態の図面によって具体的に説明する。 
図１〜図３は、線形フィルタを用いたビームフォーミング装置の実施の形態の複数の入力センサとしてマイクロホンを利用した場合の指向特性処理系を説明する図である。 
【０００９】
図１において、１は音源、２はマイクロホン、３は伝達特性Ｇn(ω)をもつ線形フィルタ、４は加算器を示している。 
また、図２は本発明のミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの設計のアルゴリズムを説明するフロー図である。 
【００１０】
また、図３はミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの２次元の指向特性を説明する図であり、利得の大きさが明るさで表現されて示されている。（ａ）は従来の遅延と和の演算によりビームを形成した特性、（ｂ）は従来の最小二乗規範でサイドローブが最小となる線形フィルタによりビームを形成した特性、（ｃ）は本発明のミニマックス規範でサイドローブが最小となる線形フィルタによりビームを形成した特性を示している。中心の円形に明るくなっている部分はメインローブによるものであり、その周辺に多少明るくなったサイドローブによるものが映像化されている。 
【００１１】
即ち、図１に示す通り、距離r，方位角θ，仰角φにある音源１の特性をＸ(ω)、音源１からマイクロホン２（Mic.1〜Mic.NのＮ個のマイクが配置されている）までの伝達関数をＨr,θ,φ,1(ω)〜Ｈr,θ,φ, n(ω)、（ここでn = 1, 2, ..., N）、線形フィルタ３の伝達特性をＧ１(ω)〜Ｇn(ω)とすれば、音源１の特性Ｘ(ω)と、加算器４で加算されて出力される出力信号Ｙ(ω)の比から、この処理系の距離方向を含む指向特性Ｄ(r,θ,φ)は， 
【００１２】
【数１】
2005265466.tif 000003
【００１３】
となる。 
さらに、方向を対象範囲で離散化したものを添字ｍ(ｍ＝1, 2, ..., M)で表し、この離散化された伝達系に対し、指向特性ベクトルd、伝達関数行列Ｈ、フィルタベクトルｇを考え（Tは転置行列）、 
【００１４】
【数２】
2005265466.tif 000004
【００１５】
とすれば、 
【００１６】
【数３】
2005265466.tif 000005
【００１７】
と簡潔な式として表現できるものである。 
ここで、伝達特性Ｇn(ω)をもつ線形フィルタ３は、具体的にはデジタルフィルタまたはアナログフィルタにより構成される。線形フィルタ３をデジタルフィルタで構成する場合は、そのフィルタ係数が伝達特性Ｇn(ω)の逆離散フーリエ変換によって得られる。また、線形フィルタ３をアナログ回路によって構成する場合は、jωの分数多項式などで近似したのち、部分分数展開などを用いて２次以下の分数多項式に分解しすれば、各分数多項式はＬＣＲによるアナログフィルタで実現でき、それらの合成として伝達特性Ｇn(ω)が実現できるものである。 
【００１８】
次いで目的方向kで利得（伝達関数行列Ｈとフィルタベクトルｇの積）が１で、目的方向近傍でのピークが目的方向に一致するフィルタｇkは、目的方向において指向特性ベクトルdのr，θ，φ各成分が極値を持つことに着目すると、ｄｒｈk，ｄθｈk，ｄφｈkをそれぞれＨr,θ,φ n(ω)のr，θ，φでの微分値を要素とするベクトルとして
【００１９】
【数４】
2005265466.tif 000006
【００２０】
の解として表現できる。 
この解はＮ＞４で一般に無数に存在するものであり、任意の［３］の式を満たす解ｇ~ｋと、任意のベクトルｙ、のゼロ空間を張る独立なベクトルからなる行列Ｚを用いて 
【００２１】
【数５】
2005265466.tif 000007
【００２２】
として表現できるものであり、ｇ~ｋはたとえば最小ノルム解を利用し+を擬似逆行列として、 
【００２３】
【数６】
2005265466.tif 000008
【００２４】
で計算できるものであり、ＺはＨkの特異値分解 
【００２５】
【数７】
2005265466.tif 000009
【００２６】
を行い，特異値０に対応するＶの列ベクトルとして得られるものである。 
これより、任意のベクトルｙの調整により、目的方向の利得とピークを保ったまま非目的方向の利得（すなわち、サイドローブの利得）を調整することが可能であり、非目的方向の指向特性ベクトルをu、非目的方向の伝達関数行列Ｕを 
【００２７】
【数８】
2005265466.tif 000010
【００２８】
とすると 
【００２９】
【数９】
2005265466.tif 000011
【００３０】
となる。 
既に提案されているサイドローブの大きさの二乗和を最小とするフィルタ（最小二乗規範に基づくフィルタ）は、［９］の式＝０の最小二乗解によって求めたｙ~を用いて設計できるものであり、そのｙ~は 
【００３１】
【数１０】
2005265466.tif 000012
【００３２】
で求められ、このｙ~を［５］の式に代入すればサイドローブの大きさの二乗和が最小となるフィルタが得られるものである。 
【００３３】
サイドローブの最大値を最小にするフィルタ（ミニマックス規範に基づくフィルタ）は，サイドローブ方向領域中の非目的方向の利得ｕの各要素の絶対値の最大値ｕmaxを最小にするｙを求めることで実現できるものであるが、ｕmaxはｙに対し非線形の関数となるため、線形逆演算により最適解を得る事はできないものであり、本発明では図２に示すアルゴリズムの通り、繰り返し処理でｕmaxを逐次的に低減しこれを実現するものである。 
【００３４】
図２において、サイドローブは通常複数存在するので、はじめに複数存在するサイドローブのうち利得が最大のサイドローブの方向に着目してこれを着目方向ｍｉとして、着目方向ｍｉにおける利得が減少するように解を更新する（図２におけるステップＳ１〜Ｓ６を１巡する）。 
【００３５】
ステップＳ１〜Ｓ６を説明すると、まず、ステップＳ１では、サイドローブが最大となる方向ｍを検索する。ステップＳ２では、ステップＳ１で検索された方向ｍを着目方向ｍｉに追加する。ステップＳ３では、着目方向ｍｉの利得を全て０にするようにｙを算出する。ステップＳ４では、着目方向ｍｉの利得が全て減ったかどうかをチェックする。着目方向ｍｉの利得が全て減っていればステップＳ５へ進み、ｇ=ｇold+ＷＺｙ（Ｗ：０〜１）のＷを代えてｇを計算し、サイドローブの最大値が最小となるＷoptを検索する。ステップＳ６において、ｇ=ｇold+ＷoptＺｙで解を更新する。 
【００３６】
ステップＳ６のＷoptは、着目方向ｍｉの利得を完全に０にした場合、その他の方向ｍの利得が増加するために、この他の方向ｍのサイドローブの利得が、減少する方向ｍｉのサイドローブの利得より大きくならない所まで解を更新するために調整を行うパラメータである。 
【００３７】
以下、図２におけるステップＳ１〜Ｓ６を繰り返す。 
このようにして、着目方向ｍｉのサイドローブの利得と、次に大きいサイドローブの利得がほぼ同じになったら、次に大きいサイドローブの方向ｍを着目方向ｍｉに加えて複数の方向を含む着目方向ｍｉとし、同様に着目方向ｍｉの利得が減少するように解を繰り返し更新していく。このようにすると、着目方向ｍｉのサイドローブが低減するとともに、その他の方向ｍも順次着目方向に加わる結果となるので、サイドローブ全体としてその利得を小さくすることができる。 
【００３８】
また、ステップＳ４において、解の更新によりｍｉの利得が全て減っているかをみて、減っていないときには着目方向ｍｉの利得が全て同じであるかをチェックする（ステップＳ７）。着目方向ｍｉの利得が全て同じであれば、サイドローブの利得の最小化が図れたので終了する。ステップＳ７において、着目方向ｍｉの利得が全て同じにならないときは、着目方向ｍｉが適切でなかったことが考えられるので着目方向ｍｉの見直し行う（ステップＳ８）。 
【００３９】
次に、更に具体的に図２の処理を説明していく。始めにサイドローブのピークが０になるようにし、その結果、他の位置でサイドローブが高くなるので、新しくピークとして成長してきた位置と元のピークの位置の利得がほぼ同じレベルになる所まで更新するものであり、その結果２つのサイドローブのピークがほぼ同じレベルで、元のピークよりは低い値となるフィルタが得られるものである。 
【００４０】
以上は、始めの１回の更新についての具体的説明であり、２回目はピークとなっている２つのサイドローブの位置で利得が０になるようにフィルタを更新し、その結果、その２つとは別の位置でサイドローブが高くなるので、新しくピークとなる位置と元の２つのピーク位置の利得がほぼ同じレベルになる所まで更新するものであり、その結果３つのサイドローブのレベルがほぼ同じレベルで、元の２つのピークよりは低い値となるフィルタが得られるものである。 
【００４１】
以下同様に、上記処理を繰り返して行うことにより、複数の位置でサイドローブのピークがほぼ同じレベルで低くなるフィルタが得られるものであるが、同時にピークを０にするフィルタへ更新が実現できるのは、マイクロホンの数から４を引いた数までであり（３次元フィルタの場合）、有限回の繰り返しによって、それ以上どのように係数を更新してもサイドローブのピークが低減できないフィルタが得られるものであり、これが即ち、最大値が最小となるフィルタが得られる原理である。 
【００４２】
上記の繰り返し処理は、サイドローブの最大値が低減されなくなるまで行う事で、サイドローブの最大値が最小となるフィルタが設計できるが、この場合メインローブは、サイドローブの大きさの二乗和が最小となるフィルタと比べると広がるものである。したがって、初期値としてメインローブの狭いフィルタを用いて、サイドローブの最大値の値とメインローブの大きさの二乗和の値のバランスを考えて、サイドローブの大きさの二乗和が予め定めた基準になったら繰り返し処理を停止することにより、メインローブとサイドローブのバランスがとれたフィルタを設計することも可能である。 
【００４３】
以上の説明で、上記図２のミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの設計のアルゴリズムは、本発明によるビームフォーミング装置内に備わるマイクロコンピュータにより実行される。このマイクロコンピュータはミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの設計のアルゴリズムを演算実行すると共に、フィルタのフィルタ係数を演算結果で更新するものである。 
【００４４】
また、上記フィルタは、具体的には線形フィルタ３としてデジタルフィルタまたはアナログフィルタにより構成され、線形フィルタ３のフィルタ係数を本発明による演算結果で更新することにより、上記線形フィルタ３は伝達特性Ｇ１(ω)〜Ｇn(ω)をミニマックス規範でサイドローブを最小にできるフィルタとなり、これによりサイドローブ全体の利得を小さく抑えることのできるビームフォーミング装置を具体的に実現できるものとなる。 
【００４５】
図３は、半径１３０[ｍｍ]の球の埋め込みアレイ(Spherical Microphone Array)にマイクロホンを３１個を配設して２次元的ビームフォーミングを実現した例である。伝達関数Ｈr ,θ,φ n(ω)については、球の理論式から計算し距離ｒ＝１[ｍ]として計算し、また目的方向(θ,φ)＝(０,０)、音源周波数は１０００[Ｈｚ]として計算したものである。（ａ）は従来の遅延和演算、（ｂ）は従来のサイドローブの大きさの二乗和が最小となる線形フィルタを用いた演算、（ｃ）は本発明のサイドローブがミニマックス規範で最小となる線形フィルタを用いた演算によりビームフォーミングを実現した場合における２次元指向特性を示している。 
【００４６】
横軸は方位角、縦軸は仰角、色は指向利得を示している。（ａ）の遅延和演算では、メインローブが広く、（ｂ）のサイドローブの大きさの二乗和が最小となる線形フィルタ演算ではメインローブが狭く指向性が少ないもののサイドローブが虚音源として観測されている。これに対し、本発明の実施の形態である（ｃ）のサイドローブの最大値が最小となる線形フィルタ演算では、メインローブは（ｂ）と比較して広がるものの（ａ）よりも狭く、（ａ）および（ｂ）に見られる虚音源が観測されず、音源探査を目的としたビームフォーミングでは有効であることが明らかである。 
【００４７】
上記実施の形態では、入力センサとして音源を対象としたマイクロホンを例にとって説明したが、本発明は電波を対象としたアンテナ、あるいは光源を対象とした受光センサであっても、これらのサイドローブを低減するビームフォーミング装置として同様に適用することができる。 
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、サイドローブの大きさを抑えた、指向特性の良好なマイクロホン、アンテナ、あるいは受光センサのビームフォーミング装置として適用することができる。 
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は本発明の実施の形態を示す図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態におけるフィルタの設計のアルゴリズムを説明する図である。
【図３】図３は本発明の実施の形態、及び従来技術による特性を比較した図である。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・音源 
２・・・マイクロホン 
３・・・線形フィルタ 
４・・・加算器 
【図１】
2005265466.tif 000013
【図２】
2005265466.tif 000014
【図３】
2005265466.tif 000015